李村煤礦智慧礦山操作系統平臺的應用

王 鵬

（潞安集團李村煤礦，山西 長治 046600）

1 概述

目前，煤礦安全高效礦井系統的機械化程度達到90%以上，單機自動化也日趨完善，建成了一批千萬噸級礦井群，也開發了初級的多系統數字礦山綜合自動化系統[1]。然而，目前煤礦總體的信息化程度還相對不高，生產過程中的各種數據和信息還無法實現有效關聯，沒有“智慧的大腦”對所有子系統實施協調、聯控，因而生產的過程控制、設備健康管理、安全風險防控、生態環保等都還沒有實現最優化的管控[2]。

在這種形勢下，結合李村煤礦智慧礦山操作系統現狀，針對安全生產設備故障診斷、能耗分析、安全生產動態診斷等實際需求，利用大數據手段對礦井安全生產進行智能化提升，更好的服務于安全生產調度指揮與決策。智慧化礦山的建立及實現，能為整個礦區的安全生產、高效運行和高經濟效益提供重要保障。

為此，在滿足相關文件資料要求情況下，十分有必要對李村煤礦智慧礦山操作系統平臺進行升級建設。

2 智慧礦山操作系統平臺總體方案設計

智慧礦山操作系統平臺是基于礦山云數據中心的開放式、可擴展的智慧礦山內核與操作系統，屬于智慧礦山的重要組成部分。向下實現各種感知數據的接入，向上為智慧礦山APP 開發提供服務和工具，自身內置GIS 平臺、GIM 時空一張圖平臺、組態化平臺、實時數據綜合服務平臺、設計協同平臺、后端即服務平臺、工作流引擎、BI 及報表工具、礦山大數據分析平臺[3]。智慧礦山操作系統平臺主體結構主要由感知執行層、網絡傳輸層、智慧礦山操作系統平臺層（MOS）和智能應用APP 層（AppStore）組成。其系統的架構見圖1。整個操作系統平臺運行環境要求： 需要9 臺虛擬機，分別部署視頻服務器1臺，服務器2 臺，應用服務器2 臺，數據采集及推送服務器2 臺，數據庫服務器2 臺；CPU：Intel（R）Xeon（R）CPUE5-2650v4@2.60GHz/8 核；內存：16G；數據存儲容量按1T/年設計。

圖1 智慧礦山操作系統平臺整體架構

3 智慧礦山操作系統平臺關鍵子系統設計

3.1 智能網關設計

在多種合作模式下，各類產品之間的技術棧、通信協議和數據格式缺乏統一標準，各子系統之間無法進行有效互通，這為各子系統的數據接入帶來極大的阻力[4]。將礦山數據標準化統一接入智能網關，能極大程度的簡化了數據接入的這個“痛點”和“難點”。

智能網關技術包括礦山各類智能設備、傳感器的協議解析、各類信息化系統的數據接入、數據標準化輸出等關鍵技術，其拓撲結構見圖2。具備的相關功能如下：

（1）支持適配工業數據協議：OPC DA、OPC UA、Modbus、OSIsoft PI 等。

（2）支持應用層/傳輸協議：HTTP、FTP、AMQP、TCP、UDP 等。

（3）數據庫支持：所有關系行數據庫以及流行的非關系行數據庫。

（4）數據格式的轉換：支持csv、json、xml 以及自定義格式的轉換。

（5）支持JavaScript 腳本的執行與編輯。

（6）支持節點編輯。

（7）可以在任意節點查看輸出結果。

圖2 智能網關拓撲結構

3.2 組態化平臺設計

所設計的組態化平臺支持全面的組態化開發和應用界面與業務邏輯的快速組態化構建，能夠滿足各類智慧礦山應用的功能與性能需要。平臺框架模塊包括組態配置子系統、配置中心子系統、數據服務、業務系統模塊、API 網關等功能模塊[5]。本平臺采用分布式集群部署方式，可做到水平擴展，打破其它組態軟件的單機局限性，滿足礦方基于一個系統可管理所有子系統的能力。對全礦區建設有全方位了解，實現了監管無死角，既解決了以前每個子系統由一個人員負責的分散管理模式，又解決了數據融合在統一平臺，為數據分析和使用提供可能，各子系統間數據分析清晰可見。另外，通過以上技術機構，平臺服務可支持個性化設備模型的構建，能夠編輯設備的圖片、設備監測的參數、報警閾值等。組態化平臺實現技術邏輯結構圖和拓撲關系組態化編輯界面見圖3、圖4。

圖3 組態化平臺邏輯結構

圖4 拓撲關系組態化編輯界面

3.3 設計協同平臺

當前，煤礦各科室，如地質、測量、通風、機電、采掘、技術等科室均是通過相互拷貝圖形、定期生成交換圖或ftp 共享圖形的方式來實現圖形文件的交換與共享，致使出現信息不全，更新不及時等情況，導致效率低下[6]。因此，有必要在整個智慧礦山建立過程中，設計一套設計協同平臺。設計協同平臺是以GIM 時空“一張圖”，采用一個數據中心（空間數據中心）、一個事務處理平臺（內置數據存儲、數據管理、上傳下載、沖突管理、數據訂閱、數據發布、版本管理、權限管理等于一體的協作平臺）為設計基礎，實現礦井各專業信息統一管理和動態更新。設計協同平臺將提供包括空間數據管理、權限管理、專題圖層管理、數據訂閱與發布等內置功能，為各專業科室的圖形數據上傳、下載更新、數據共享、版本控制等提供的協同工具。設計協同平臺的結構見圖5。

圖5 設計協同平臺結構

3.4 礦山全維度數據存儲管理模塊設計

礦山全維度數據存儲管理模塊屬于礦山大數據分析平臺的重要組成部分，與系統底層數據融合模塊、數據資源計算功能模塊、大數據分析模塊、數據可視化模塊等共同構成了礦山大數據分析平臺。整個模塊主要由： 數據接入層、數據總線、Storage Service、元數據管理、業務關系管理等組成，而數據接入層可實現不同樣式和類型數據的統一接入；數據總線可對接入數據按照業務主體進行管理；Storage Service 能支持Nosql，RMDB、Meta DB 的數據存儲和管理； 元數據管理負責數據和業務管理。全維度數據管理模塊框架見圖6。

圖6 全維度數據管理模塊框架

4 控制系統運行效果分析

在完成李村煤礦智慧礦山操作系統平臺建立后，針對李村煤礦實際應用過程中，通過此操作系統平臺中的區域安全監控，實現了井下區域內的環境參數、人員情況、視頻、廣播等領域的集成監控，并通過AI 視頻分析技術的應用，實現了視頻監控系統的無人值守。同時，整個井下區域的工作效率、系統管理水平、事故應急響應及救援能力得到顯著提升，也實現了主運輸系統的節能降耗、減少了膠帶及電機等設備磨損損耗，運行效果顯著，驗證了此操作系統平臺的可行性。

5 結語

設計一套有針對性的、符合井下區域使用需求的智慧礦山操作系統平臺，是提高井下安全管理水平、礦井突發事件應急救援、應急響應能力的重要基礎。為此，開展了李村煤礦智能化程度的提升設計，包括對李村煤礦智慧礦山操作系統平臺進行總體方案設計及關鍵子系統進行設計，利用大數據和人工智能技術，實現礦井安全隱患智能感知與安全生產動態診斷，直接服務于李村煤礦安全生產指揮與決策。該研究對保障企業的生產效率及井下作業安全起到重要支撐作用。